Un lecho fluidizado es un fenómeno físico que ocurre cuando una sustancia particulada sólida (generalmente presente en un recipiente de almacenamiento) se encuentra en las condiciones adecuadas para que se comporte como un fluido . La forma habitual de conseguir un lecho fluidizado es bombear fluido presurizado al interior de las partículas. El medio resultante tiene entonces muchas propiedades y características de los fluidos normales, como la capacidad de fluir libremente por gravedad o de ser bombeado mediante tecnologías de fluidos.
El fenómeno resultante se llama fluidización . Los lechos fluidizados se utilizan para varios propósitos, como reactores de lecho fluidizado (tipos de reactores químicos ), separación de sólidos, [1] craqueo catalítico fluido , combustión en lecho fluidizado , transferencia de calor o masa o modificación de la interfaz, como la aplicación de un recubrimiento sobre elementos sólidos. . Esta técnica también se está volviendo más común en la acuicultura para la producción de mariscos en sistemas acuícolas multitróficos integrados. [2]
Un lecho fluidizado consiste en una mezcla fluido-sólida que exhibe propiedades similares a las de un fluido. Como tal, la superficie superior del lecho es relativamente horizontal, lo que es análogo al comportamiento hidrostático. Se puede considerar que el lecho es una mezcla heterogénea de fluido y sólido que puede representarse mediante una única densidad aparente.
Además, un objeto con una densidad mayor que el lecho se hundirá, mientras que un objeto con una densidad menor que el lecho flotará, por lo que se puede considerar que el lecho exhibe el comportamiento fluido esperado del principio de Arquímedes . Como la "densidad" (en realidad, la fracción de volumen sólido de la suspensión) del lecho se puede alterar cambiando la fracción fluida, se pueden provocar objetos con diferentes densidades en comparación con el lecho, alterando la fracción fluida o sólida. hundirse o flotar.
En los lechos fluidizados, el contacto de las partículas sólidas con el medio de fluidización (un gas o un líquido) mejora considerablemente en comparación con los lechos empacados . Este comportamiento en lechos fluidizados de combustión permite un buen transporte térmico dentro del sistema y una buena transferencia de calor entre el lecho y su contenedor. De manera similar a la buena transferencia de calor, que permite una uniformidad térmica análoga a la de un gas bien mezclado, el lecho puede tener una capacidad calorífica significativa manteniendo al mismo tiempo un campo de temperatura homogéneo.
Los lechos fluidizados se utilizan como un proceso técnico que tiene la capacidad de promover altos niveles de contacto entre gases y sólidos. En un lecho fluidizado se puede utilizar un conjunto característico de propiedades básicas, indispensables para los procesos modernos y la ingeniería química, estas propiedades incluyen:
Tomando un ejemplo de la industria de procesamiento de alimentos: los lechos fluidizados se utilizan para acelerar la congelación en algunos congeladores de túnel de congelación rápida individual (IQF) . Estos túneles de lecho fluidizado se utilizan normalmente en productos alimenticios pequeños como guisantes, camarones o verduras en rodajas, y pueden utilizar refrigeración criogénica o por compresión de vapor . El fluido utilizado en lechos fluidizados también puede contener un fluido de tipo catalítico; por eso también se utiliza para catalizar la reacción química y también para mejorar la velocidad de reacción.
Los lechos fluidizados también se utilizan para el secado eficiente de materiales a granel. La tecnología de lecho fluidizado en los secadores aumenta la eficiencia al permitir que toda la superficie del material a secar quede suspendida y, por lo tanto, expuesta al aire. Este proceso también se puede combinar con calentamiento o enfriamiento, si es necesario, según las especificaciones de la aplicación.
En 1922, Fritz Winkler realizó la primera aplicación industrial de la fluidización en un reactor para un proceso de gasificación del carbón . [3] En 1942, se construyó el primer lecho fluido circulante para el craqueo catalítico de aceites minerales , con tecnología de fluidización aplicada al procesamiento metalúrgico (tostación de arsenopirita ) a finales de los años 1940. [4] [5] Durante este tiempo, la investigación teórica y experimental mejoró el diseño del lecho fluidizado. En los años 60, VAW-Lippewerk en Lünen, Alemania, instaló el primer lecho industrial para la combustión de carbón y más tarde para la calcinación de hidróxido de aluminio.
Los tipos de lecho se pueden clasificar en términos generales según su comportamiento de flujo, que incluyen: [6]
Cuando un fluido pasa sobre el lecho empacado, la caída de presión del fluido es aproximadamente proporcional a la velocidad superficial del fluido . Para pasar de un lecho compacto a una condición fluidizada, la velocidad del gas aumenta continuamente. Para un lecho independiente existirá un punto, conocido como punto de fluidización mínimo o incipiente, por el cual la masa del lecho queda suspendida directamente por el flujo de la corriente de fluido. La velocidad del fluido correspondiente, conocida como "velocidad mínima de fluidización" . [11]
Más allá de la velocidad mínima de fluidización ( ), el material del lecho quedará suspendido por la corriente de gas y aumentos adicionales en la velocidad tendrán un efecto reducido sobre la presión, debido a la suficiente percolación del flujo de gas. Por tanto, la caída de presión es relativamente constante.
En la base del recipiente, la caída de presión aparente multiplicada por el área de la sección transversal del lecho se puede equiparar a la fuerza del peso de las partículas sólidas (menos la flotabilidad del sólido en el fluido).
dónde:
es la caída de presión del lecho
es la altura de la cama
es el vacío del lecho, es decir, la fracción del volumen del lecho que está ocupada por los huecos (los espacios de fluido entre las partículas)
es la densidad aparente de las partículas del lecho
es la densidad del fluido fluidizante
es la aceleración debida a la gravedad
es la masa total de sólidos en el lecho
es el área de la sección transversal de la cama
En 1973, el profesor D. Geldart propuso agrupar los polvos en cuatro llamados "Grupos Geldart". [12] Los grupos se definen por sus ubicaciones en un diagrama de diferencia de densidad sólido-fluido y tamaño de partícula. Los métodos de diseño para lechos fluidizados se pueden adaptar en función de la agrupación Geldart de las partículas: [11]
Grupo A Para este grupo, el tamaño de partícula está entre 20 y 100 µm, y la densidad de partícula es típicamente inferior a 1,4 g/cm 3 . Antes del inicio de una fase de lecho burbujeante, los lechos de estas partículas se expandirán en un factor de 2 a 3 en la fluidización incipiente, debido a una densidad aparente disminuida. La mayoría de los lechos catalizados en polvo utilizan este grupo.
Grupo B El tamaño de partícula se encuentra entre 40 y 500 µm y la densidad de partícula entre 1,4 y 4 g/cm 3 . El burbujeo normalmente se forma directamente en la fluidización incipiente.
Grupo C Este grupo contiene partículas extremadamente finas y, en consecuencia, las más cohesivas. Con un tamaño de 20 a 30 μm, estas partículas se fluidizan en condiciones muy difíciles de lograr y pueden requerir la aplicación de una fuerza externa, como la agitación mecánica.
Grupo D Las partículas en esta región tienen un tamaño superior a 600 µm y normalmente tienen altas densidades de partículas. La fluidización de este grupo requiere energías de fluido muy altas y normalmente se asocia con altos niveles de abrasión. El secado de granos y guisantes, el tostado de granos de café, la gasificación de carbones y algunos minerales metálicos son tales sólidos y generalmente se procesan en lechos poco profundos o en modo de chorro.
Normalmente, el gas o líquido presurizado ingresa al recipiente del lecho fluidizado a través de numerosos orificios a través de una placa conocida como placa distribuidora, ubicada en el fondo del lecho fluidizado. El fluido fluye hacia arriba a través del lecho, lo que hace que las partículas sólidas queden suspendidas. Si se desactiva la entrada de fluido, el lecho puede asentarse, acumularse en la placa o gotear a través de la placa. Muchas camas industriales utilizan un distribuidor rociador en lugar de una placa distribuidora. Luego, el líquido se distribuye a través de una serie de tubos perforados.
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